Исследование режимов движения жидкости

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ

Визуальное наблюдение ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости, а также смены режимов.. Вычисление по опытным данным значений Rе при наблюдаемых режимах и переходе из ламинарного в турбулентное движение.

3.2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Одна из основных задач гидравлики - оценка потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений, возникающих при движении реальных жидкостей в различных гидравлических системах.

Чтобы правильно определить эти сопротивления, прежде всего необходимо составить ясное преставление о механизме самого движения жидкости. При исследовании вопроса приходим к заключению о существовании двух различных, резко отличающихся режимов движения: ламинарного (слоистого) и турбулентного (вихревого). При ламинарном движении частицы жидкости движутся без перемешивания, их траектории не пересекаются, наблюдается слоистое перемещение.

Ламинарный режим наблюдается преимущественно при движении вязких жидкостей - нефть, битум, смазочные масла и др. или при движении любых жидкостей с малыми скоростями.

Турбулентный режим характеризуется беспорядочным движением частиц жидкости и имеет место при сравнительно больших скоростях и малой вязкости.

Существование того или иного режима движения в трубопроводе отделяется значением безразмерной величины - числа Рейнольдса.

где v – средняя скорость движения жидкости;

d – внутренний диаметр трубы;

n – кинематический коэффициент вязкости.

С физической точки зрения число Рейнольдса характеризует соотношение между силами инерции и вязкости (внутреннего трения), действующими в потоке. Когда преобладают силы вязкости (число Рейнольдса мало), частицы жидкости движутся, не перемешиваясь.

Если же преобладают инерционные силы (когда число сравнительно велико), то упорядоченность движения частиц нарушается, они движутся хаотично.

Опытами установлено, что при Rе < 2320 в круглой цилиндрической трубе существует устойчивое ламинарное течение. При Rе > 2320 слоистое движение нарушается, и до Rе = 4000 имеет место так называемая переходная область, для которой характерна перемежающая турбулентность, то есть периодическое изменение характера течения с ламинарного на турбулентное. Ламинарное течение может сохраняться и при Rе > 2300, но оно будет неустойчивым, и при небольших возмущениях (толчки, вибрации) сразу же переходит в турбулентное.

Число Рейнольдса, при котором происходит переход от ламинарного режима к турбулентному, носит название критического числа Рейнольдса Rе_КР. Для труб круглого сечения Rе_КР = 2320. Для открытых потоков в качестве линейной характеристики принимают гидравлический радиус R (отношение площади к смоченному периметру c).

где V_КР - критическая скорость, соответствующая смене режимов.

Критическое число Рейнольдса для открытых потоков равно 500 (Rе_КР = 500)

3.3. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Установка состоит из напорного бака 1, заполняемого водой, и сосуда 4, в который наливают красящие вещества. Труба 2 имеет на конце кран 3, позволяющий регулировать расход и скорость движения жидкости. Измерение расхода жидкости осуществляется объемным способом при помощи мерного бака 7. Труба 2 для осуществления плавного входа в нее имеет входную воронку, из сосуда 4 подведена тонкая трубка 5 с зажимом 6, по которой в поток подаются красящие вещества (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема лабораторной установки

По усмотрению преподавателя эту лабораторную работу также можно выполнять на лабораторном стенде, схема которого приведена на рис.3.2.

Рисунок 3.2. Универсальный лабораторный стенд.

1 – Насос. 2 – Регулирующие вентили. 3 – Система ротаметров.
4 – Компенсационный бак. 5 – Лабораторный модуль.
6 – Игольчатый вентиль. 7 – Сливной бак. 8 – Воздушник с пережимом.

Путем смены лабораторного модуля 5, этот стенд можно подготовить для изучения различных гидравлических процессов.

3.4. УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории С-106 кафедры «Теплотехника, ТГСиВ», утвержденной 26.02.1999 года.

3.5. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Во время опыта уровень воды в баке 1 поддерживается постоянным с помощью перелива. Опыт начинается с малых скоростей, для этого кран 3 немного открывают и одновременно пускают красящие вещества через трубку 5. В стеклянной трубе должна быть видна окрашенная струйка, которая легко выделяется в движущемся потоке. Следовательно, движущаяся струйка, которая не перемешивается с соседними струйками, т.е. наблюдается струйное движение, называемое ламинарным. Увеличивая степень открытия крана 3 увеличивают скорость движения жидкости до тех пор, пока струйка красящего вещества не начнет теряться в общем потоке жидкости, т.е. происходит переход из ламинарного режима в турбулентный. Дальнейшим открытием крана устанавливают скорость движения, соответствующую установившемуся турбулентному течению, струйка совершенно исчезает, поток окрашивается равномерно.

В каждом опыте производят замеры температуры, времени полного или частичного заполнения мерного бака, объема мерного бака. Результаты заносят в таблицу 3.1. Опыт, соответствующий переходу из ламинарного в турбулентный режим, производят 3 раза для более точного установления критического числа Рейнольдса.

Таблица 3.1 – Обработка результатов опыта

Величина	Обозначение	Единицы измерения	№ опытов
Режим движения жидкости		-
Объем жидкости в мерном баке	W	см3
Время заполнения мерного бака	t	с
Температура в напорном баке	t	0С
Объемный расход жидкости		см3/с
Средняя скорость	v = Q / w	см/с
Кинематический коэффициент вязкости	n	см2/с
Число Рейнольдса		-

Постоянные величины: диаметр трубы – d =2,5 см,

площадь сечения – w = pd²/4 см²

3.6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА

Отчет по лабораторной работе выполняются в тетради или на листах формата А4. При этом в отчете должны быть записаны: номер и наименование лабораторной работы, цель работы, начерчены принципиальная схема опыта или опытной установки таблица для записи основных параметров установок и опытных данных, необходимые расчетные зависимости.

Выполнив все необходимые записи показаний измерительных приборов, надо произвести вычисления, занести в таблицу, сделать краткие выводы по работе (в часы лабораторных занятий или часы самостоятельной работы).

Работа должна быть защищена и подписана преподавателем, под руководством которого она проводилась.

3.7. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Какие бывают режимы движения жидкостей?

2. Что называется ламинарным режимом течения?

3. Что называется турбулентным режимом течения?

4. Каким критерием характеризуются режимы движения жидкости?

5. Каков физический смысл числа Рейнольдса?

Защита работы проводится в виде собеседования.